Die Auswahl einer CNC-Maschine beginnt mit repräsentativen Werkstücken und nicht mit einer Liste von Ausstattungsmerkmalen. Dieser Leitfaden stellt einen Zusammenhang zwischen der Werkstückgeometrie und den Prozessanforderungen einerseits und Maschinenformat, Achsverfahrwegen, Tischkapazität, Spindelleistung, Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sowie Genauigkeit andererseits her. Er erläutert Themen wie Positionierung, Wiederholgenauigkeit, Kreisinterpolation, thermische Drift, Steuerungsoptionen für CNC-Maschinen, Servo- und Spindelmotoren, Kühlmittel- und Spänesysteme, automatische Werkzeugwechsler, Magazinkapazität, Werkzeughalter, Voreinstellgeräte und technischen Support. Das Ergebnis ist ein praktischer Rahmen, um Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Flexibilität, Lebenszykluskosten und Produktionsanforderungen über die gesamte Lebensdauer der Maschine hinweg in Einklang zu bringen.
CNC-Maschinen gibt es in vielen Ausführungen, und jede davon erzielt ihre beste Leistung in einem bestimmten Anwendungsbereich. Der erste Schritt beim Kauf einer Maschine besteht daher darin, die typischen Werkstücke und Bearbeitungsvorgänge zu definieren, für die sie eingesetzt werden soll.
Ermitteln Sie anhand des Modernisierungs- oder Produktionsentwicklungsplans des Unternehmens, welche Arbeitsgänge auf CNC-Anlagen verlagert werden sollen, und klassifizieren Sie anschließend die in Frage kommenden Teile mithilfe der Gruppentechnologie. Da die Teilegrößen und die Gesamtarbeitslast stark variieren können, verfeinern Sie die Gruppen so lange, bis sich eine praktikable Auswahl typischer Werkstücke ergibt.
Jedes Maschinenformat hat charakteristische Anwendungsbereiche. Horizontale Bearbeitungszentren eignen sich für Gehäuse, Pumpenkörper, Ventilkörper und Mantelteile, während vertikale Bearbeitungszentren für Deckel, Platten, Mantelteile und flache Nocken geeignet sind, die hauptsächlich von einer Seite bearbeitet werden. Die Bearbeitung eines für ein horizontales Bearbeitungszentrum vorgesehenen Werkstücks auf einem vertikalen Bearbeitungszentrum kann Änderungen an der Aufspannung und am Bezugspunkt erfordern, was die Effizienz und Genauigkeit beeinträchtigt. Die Bearbeitung eines für ein vertikales Bearbeitungszentrum vorgesehenen Werkstücks auf einem horizontalen Bearbeitungszentrum erfordert möglicherweise eine Winkelplattenaufspannung, die die Systemsteifigkeit verringert. Eine horizontale Maschine vergleichbarer Größe kostet möglicherweise 80% bis 100% mehr und verursacht zudem höhere Betriebskosten, obwohl ihr breiterer Prozessbereich oft zu einem Maschinenparkmix von etwa 60% bis 70% horizontalen Drehzentren und 30% bis 40% vertikalen Drehzentren führt.
Die wichtigsten Kriterien für die Maschinengröße sind die Verfahrwege der gesteuerten Achsen und die Leistung des Spindelmotors.
Die Verfahrwege der X-, Y- und Z-Achse definieren den verfügbaren Bearbeitungsbereich. Das Werkstück sollte normalerweise in diesen Bereich passen. Für ein Gehäuse mit den Maßen 450 × 450 × 450 mm bietet ein Bearbeitungszentrum mit einem Tisch von 500 × 500 mm ausreichend Platz für die Spannvorrichtung. Eine Maschine mit dieser Tischgröße bietet in der Regel einen X-Verfahrweg von 700 bis 800 mm, einen Y-Verfahrweg von 550 bis 700 mm und einen Z-Verfahrweg von 500 bis 600 mm.
Ein Bauteil kann gelegentlich größer sein als der Verfahrweg einer Achse, sofern der erforderliche Bearbeitungsbereich innerhalb des zulässigen Bereichs bleibt. Der Käufer muss dennoch die Tischbelastung, den Freiraum für den Werkzeugwechsel sowie mögliche Kollisionen zwischen dem rotierenden Werkstück und den Maschinenschutzvorrichtungen oder dem Zubehör überprüfen.
Die Spindelleistung gibt Aufschluss über die Zerspanungsleistung und damit indirekt auch über die Zerspanungssteifigkeit. Moderne Bearbeitungszentren verwenden leistungsstarke Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren mit variabler Drehzahl, doch kann das verfügbare Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen begrenzt sein, da die Motorleistung mit sinkender Drehzahl abnimmt. Daher muss das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen für große Durchmesser und starken Materialabtrag, insbesondere beim Bohren, überprüft werden. Hochdrehzahl-Leichtbau-Drehmaschinen vom Typ CNC und konventionelle Drehmaschinen derselben Nenngröße können sich hinsichtlich der Spindelleistung um ein Vielfaches unterscheiden. Bei der Auswahl sollten die Aufmaßzugabe, die erforderliche Zerspanungsleistung, die angestrebte Genauigkeit und die verfügbaren Werkzeuge berücksichtigt werden.
Wenn eine kleine Anzahl von Spezialteilen nicht mit drei Linearachsen gefertigt werden kann, sind möglicherweise Drehachsen A, B oder C oder Hilfsachsen U, V oder W erforderlich, was eine Sonderanfertigung der Maschine erfordern kann.
Wählen Sie die Genauigkeitsklasse anhand der kritischen Merkmale der typischen Bauteile aus. Bearbeitungszentren werden üblicherweise in Standard- und Präzisionsklassen unterteilt.
Bei der Positionierung und Wiederholgenauigkeit summieren sich die Fehler der beweglichen Komponenten auf jeder Achse. Die Wiederholgenauigkeit ist besonders wichtig, da sie angibt, ob eine Achse über ihren gesamten Verfahrweg hinweg konsistent zu beliebigen Positionen zurückkehren kann. CNC-Steuerungen bieten häufig eine Neigungsfehler- und Spielkompensation. Diese Funktionen können stabile systematische Fehler korrigieren, sind jedoch nicht in der Lage, zufällige Abweichungen vollständig zu beheben, die durch Totzonen des Antriebs, Spiel, elastische Verformung, wechselnde Kontaktsteifigkeit, Tischbelastung, Verfahrweg oder Positioniergeschwindigkeit verursacht werden. Eine hohe Wiederholgenauigkeit hängt daher nach wie vor von einer soliden mechanischen Konstruktion und Justierung ab.
Die Genauigkeit der Kreisinterpolation bewertet sowohl die Servofolge als auch die CNC-Interpolation gemeinsam. Ein standardmäßiges zylindrisches Prüfstück, das bei kleinen oder mittelgroßen Maschinen typischerweise einen Durchmesser von 200 bis 300 mm aufweist, wird mit einem Schlichtfräser gefräst und anschließend auf einem Rundheitsmessgerät gemessen. Die radiale Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Hüllkreis stellt die Rundlaufgenauigkeit dar.
Eine Reihe von Positionierfehlern über den gesamten Verfahrweg bildet die Hüllkurve der Positionierfehler über den gesamten Verfahrweg und bestimmt die Positioniergenauigkeit.
Anhand der Positioniergenauigkeit der Maschine lässt sich die Genauigkeit der entsprechenden Bauteile abschätzen. So kann beispielsweise die Genauigkeit des Mittenabstands zweier Bohrungen, die durch eine Bewegung auf einer Achse erzeugt werden, das 1,5- bis 2-fache der einachsigen Positioniergenauigkeit betragen, wobei jedoch auch Prozessfaktoren eine Rolle spielen. Ein Standard-Bearbeitungszentrum kann in der Regel Teile der Güteklasse 8 in Serienfertigung herstellen, während ein Präzisionszentrum Teile der Güteklassen 6 bis 7 fertigen kann.
Die meisten handelsüblichen CNC-Vorschubantriebe arbeiten mit einer halbgeschlossenen Regelungsschleife und können die thermische Längenausdehnung der Kugelumlaufspindel nicht direkt erfassen. Bei einem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Kugelumlaufspindel von etwa 11,2 × 10-8/K: Ein lokaler Temperaturanstieg von 1 °C bis 2 °C im Dauerbetrieb kann den Maschinen-Nullpunkt und das Werkstück-Koordinatensystem verschieben. Liegt der Werkstück-Nullpunkt etwa 400 mm vom festen Ende der Kugelumlaufspindel entfernt, kann ein Temperaturanstieg um 2 °C eine Abweichung von etwa 8,9 µm verursachen. Bei einer horizontalen Drehbank, die ein Gehäuse um 180° indexiert, um an beiden Enden Bohrungen zu bearbeiten, kann sich dadurch der Koaxialitätsfehler verdoppeln. Das Vorspannen der Kugelumlaufspindel kann thermische Fehler reduzieren und die Antriebssteifigkeit erhöhen, erhöht jedoch die Kosten. Die Genauigkeit der Maschine allein reicht nicht aus; es ist auch ein geeigneter Prozessplan erforderlich.
Der CNC muss auf die Maschine und die Anwendung abgestimmt sein.
Die Steuerungen sind für das Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Stanzen und andere Bearbeitungsverfahren konfiguriert. Wählen Sie die für Ihren Maschinentyp vorgesehene Ausführung aus.
Die verfügbaren Steuerungen unterscheiden sich erheblich in Leistung und Preis. Als historisches Beispiel sei angeführt, dass eine FANUC-15-Steuerung einen maximalen Schnittvorschub von 240 m/min bei einem Befehlsschritt von 1 µm ermöglichte, während eine FANUC-0-Steuerung 24 m/min lieferte. Eine Standardmaschine, die lediglich 20 m/min benötigt, würde von dem teureren System kaum profitieren. Bewerten Sie Leistung und Kosten gemeinsam, anstatt automatisch die neueste oder die mit den höchsten Spezifikationen ausgestattete Steuerung zu wählen.
Die Grundfunktionen sind im gewählten System enthalten, während optionale Funktionen zusätzliche Kosten verursachen. Wählen Sie die Optionen entsprechend den tatsächlichen Leistungsanforderungen der Maschine aus. Geben Sie gleichzeitig bei der Erstbestellung alle erforderlichen Funktionen an. Das Weglassen der Neigungskompensation oder der Werkzeugversatzfunktion kann bei der Inbetriebnahme unmöglich oder kostspielig zu korrigieren sein. Die Verwendung desselben Steuerungsmodells, das bereits in der Anlage installiert ist, vereinfacht zudem die Bedienung, Programmierung und Wartung.
Zu den gängigen Antrieben für Vorschubsysteme zählen Schritt-, Gleichstrom- und Wechselstrom-Servomotoren. Schrittmotoren sind kostengünstig, weisen jedoch eine begrenzte Leistungsfähigkeit auf, wie z. B. Eilganggeschwindigkeiten von etwa 6 bis 8 m/min, eine Mindestauflösung von etwa 0,01 mm und eine Neigung zu Schwingungen bei niedrigen Drehzahlen; sie werden hauptsächlich in kostengünstigen Systemen mit offenem Regelkreis eingesetzt. Gleichstrom-Servomotoren sind weit verbreitet und kostengünstiger als Wechselstrom-Servomotoren, weisen jedoch ein schlechteres Ansprechverhalten auf, und Bürsten sowie Kommutatoren erhöhen das Ausfallrisiko. Wechselstrom-Servomotoren dominieren mittlerweile die CNC-Anwendungen.
Die Servoleistung hängt von der Dämpfung und den Trägheitslasten ab. Stellen Sie sicher, dass:
Eine Lastträgheit unterhalb der Rotorträgheit hat kaum Auswirkungen, doch eine Lastträgheit, die etwa das Dreifache der Rotorträgheit erreicht oder übersteigt, kann das Ansprechverhalten erheblich beeinträchtigen und dazu führen, dass der Servoverstärker nicht mehr normal regeln kann.
Bei der Auswahl des Spindelmotors sollten die Anforderungen hinsichtlich Schnittleistung, Zerspanungsleistung und maximalem Drehmoment bei niedriger Drehzahl erfüllt werden; die Beschleunigungs- und Bremsleistung sollte unter der maximalen Ausgangsleistung liegen; die durchschnittliche Leistung bei häufigen Starts und Stopps sollte unter der Nenn-Dauerleistung liegen; und es muss sichergestellt werden, dass die Schnittleistung bei konstanter Drehzahl zuzüglich der Beschleunigungsleistung innerhalb der verfügbaren Leistung bleibt.
Richten Sie kostengünstiges Zubehör ein, das für den sofortigen Betrieb erforderlich ist, und nutzen Sie kompatible Geräte nach Möglichkeit maschinenübergreifend. Vergleichen Sie kostspielige Steuerungsfunktionen wie dialogorientierte Programmierung und dynamische Grafiken mit Alternativen zur maschinenunabhängigen Programmierung, da die Programmierung an der Maschine Produktionszeit in Anspruch nimmt. Automatische Messungen, Messtaster sowie die Erkennung von Werkzeugverschleiß oder -bruch sollten eher aufgrund ihrer bewährten Zuverlässigkeit als aufgrund ihrer Neuartigkeit ausgewählt werden.
Auch die Kühlung, die Schutzvorrichtungen und die Spanabfuhr verdienen besondere Beachtung, da viele Betriebsstörungen ihren Ursprung in diesen Systemen haben. Eine Kühlmittelzufuhr mit mehreren Düsen und abgedichtete Schutzvorrichtungen sind für unterschiedliche Werkstückgrößen und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung besser geeignet als einfache Rohre und Schutzschilde. Wählen Sie eine Leistung, die der Produktion entspricht. Bei Umgebungstemperaturen von 38 °C bis 40 °C kann eine Schaltschrank-Klimaanlage für einen zuverlässigen Halbleiterbetrieb unerlässlich sein.
Der automatische Werkzeugwechsler (ATC) ist ein wesentlicher Bestandteil von Bearbeitungszentren, Drehzentren und CNC-Stanzpressen mit automatischem Stanzwerkzeugwechsel. Er kann 30% bis 50% der Maschineninvestition ausmachen. Die wichtigsten Leistungskennzahlen sind die Werkzeugwechselzeit und die Ausfallrate. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass mehr als die Hälfte der Störungen an Bearbeitungszentren auf den ATC zurückzuführen sind; daher ist in der Regel die einfachste, zuverlässige Konstruktion, die den Anforderungen der Anwendung gerecht wird, die beste Wahl.
Die Kapazitäten der Magazine reichen von weniger als 20 Werkzeugen bis hin zu 40, 60 oder 100, während ein zentrales FMC-Lager fast 1.000 Werkzeuge aufnehmen kann. Ein eigenständiges Bearbeitungszentrum, das nicht in ein FMC oder FMS eingebunden wird, sollte in der Regel kein unnötig großes Magazin haben, da dadurch Kosten, Komplexität, Ausfallrate und Verwaltungsaufwand steigen.
Legen Sie die Größe des Werkzeugmagazins anhand der Werkzeuge fest, die für eine vollständige Bearbeitung eines typischen Werkstücks erforderlich sind, zuzüglich einer moderaten Reserve. Etwa 20 Werkzeuge reichen oft für ein vertikales Bearbeitungszentrum aus, etwa 40 für ein horizontales. Komplexe Werkstücke lassen sich häufig in zwei oder drei Programme unterteilen, beispielsweise im Hinblick auf Wärmebehandlung, Bezugspunktswechsel oder getrennte Schrupp- und Schlichtbearbeitung, wobei jedes Programm unter 40 Werkzeuge bleiben sollte. Bei Jahresstückzahlen von mehreren tausend Teilen können spezielle Mehrkant-Kombinationswerkzeuge wirtschaftlich sinnvoll sein. Programme mit mehr als 50 Werkzeugen erschweren zudem die Programmierung, die Erprobung, die Konstruktion der Spannvorrichtungen und eventuelle Überarbeitungen erheblich.
Einfache CNC-Drehmaschinen können vier Werkzeuge aufnehmen, während komplexe Drehzentren Dutzende von festen und angetriebenen Werkzeugen aufnehmen können. Angetriebene Werkzeuge sind teuer und bieten unter Umständen keine hohe Produktivität, weshalb sie sich eher für komplexe, gemischte Kleinserien eignen als für die einfachere Mittel- oder Großserienfertigung.
Nach der Auswahl der Maschine und des automatischen Werkzeugwechselsystems (ATC) wählen Sie standardisierte Werkzeughalter und Schneidwerkzeuge aus. Bearbeitungszentrumssysteme sind in hohem Maße standardisiert und entsprechen in der Regel den Anforderungen nach ISO. Ein Werkzeughalter verbindet die Vielzahl der Schneidwerkzeuge mit der Spindel, dem Magazin und dem Handhabungsmechanismus.
Betrachten Sie drei Punkte:
Die Kombination zweier Halterserien auf einer Maschine ist unwirtschaftlich und schwer zu handhaben. Modulare Werkzeuge sind zwar anfangs teurer, bieten aber eine größere Flexibilität, wenn sie als System erworben werden. So kostet beispielsweise eine herkömmliche Bohrstange mit Ø 60 etwa 120 US-Dollar, während eine modulare Baugruppe aus Schaft, Verlängerung und Schneidkopf mehr als 200 US-Dollar kosten kann. Bei einem Magazin für 30 Werkzeuge können jedoch 30 modulare Schäfte, 50 bis 60 Verlängerungen und 70 bis 80 Schneidköpfe 100 einteilige Baugruppen ersetzen und die computergestützte Verwaltung vereinfachen. Einfache Werkzeuge, die wiederholt ohne Neumontage verwendet werden, wie beispielsweise Bohrfutterhalter, sind als einteilige Einheiten oft wirtschaftlicher.
Bei der Serienfertigung von mehreren Tausend bis zu Zehntausenden von Teilen pro Jahr kann sich ein Kombinationswerkzeug, das drei- bis zehnmal so viel kostet wie ein Standardhalter, dennoch lohnen, wenn es drei bis fünf Werkzeuge ersetzt und mehrere Arbeitsschritte in einem vereint.
Die radiale und axiale Werkzeugvermessung sollte nach Möglichkeit außerhalb der Maschine durchgeführt werden, damit keine teure Spindelzeit für die Einrichtung verbraucht wird. Vorstellgeräte können optische, Gitter- oder induktive Messsysteme verwenden. Computergesteuerte Ausführungen kombinieren eine Werkzeugverwaltungssoftware mit codierten Trägern an den Haltern.
Wählen Sie ein Drehwerkzeug, ein Bearbeitungszentrum oder einen Universal-Voreinsteller, dessen Spindelkonus mit der CNC-Maschine übereinstimmt, damit die gemessenen Versätze direkt eingegeben werden können. Voreinsteller sind in Standard- und Präzisionsausführung erhältlich, wobei High-End-Geräte eine Messgenauigkeit von nahezu 0,001 mm erreichen. Diese statische Genauigkeit garantiert jedoch nicht das gleiche Bearbeitungsmaß. Eine Bohrung kann je nach Kantenbeschaffenheit und Werkstoff 0,01 bis 0,02 mm kleiner ausfallen als der voreingestellte Wert, und die normale Wiederholgenauigkeit beim Spindelbeladungsvorgang kann weitere 0,005 bis 0,008 mm dazu beitragen. Bei einer Bohrungstoleranz nahe 0,01 mm können dennoch Probeschnitte und Anpassungen an der Maschine erforderlich sein. Ein Einstellgerät sollte nach Möglichkeit für mehrere Maschinen verwendet werden.
Eine gute Maschine allein garantiert noch keinen technischen oder wirtschaftlichen Erfolg. Neue Anwender benötigen zudem geschulte Bediener, Programmierer sowie Wartungspersonal für den mechanischen und elektrischen Bereich.
Maschinenhersteller bieten zunehmend Unterstützung vor und nach dem Kauf an, darunter Prozessanalysen typischer Werkstücke, Machbarkeitsversuche, Werkzeugauslegung, Programmierung, Installation, Inbetriebnahme, Testschnitte und Produktionsanlauf. Schulungen und praktische Einweisungen für Wartungspersonal, Programmierer und Bediener sind dabei besonders wichtig. Investitionen in die Qualifikation des Personals sind unerlässlich, um CNC-Anlagen effektiv nutzen zu können.
Teilen Sie uns Ihre Zeichnung, Ihr Material, Ihr Toleranzziel oder Ihre Anwendungsfrage mit. Unser Ingenieurteam kann Ihnen helfen, den Bearbeitungsweg zu prüfen und einen praktischen nächsten Schritt vorzuschlagen.
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